粉煤灰在磷酸镁水泥中的性能研究

磷酸镁水泥具有快凝快硬, 早期强度高, 低温凝结速度快, 与旧混凝土的粘接强度高, 抗冻性和耐磨性好, 干缩小等特点, 用于混凝土路面、高速公路、桥面、飞机跑道、市政主干道及工业厂房地面等的快速修复上[1-5]。杨建明[6]研究了不同粒度的原料、各种复合磷酸盐以及不同加入量的缓凝剂对磷酸镁水泥性能的影响, 指出原料粒度对MPC强度有较大影响。周启兆[7]采用电工级镁砂、磷酸二氢钾 (KH2PO4) 和硼砂为主要原料制备出凝结时间可控、3天粘结强度和抗压强度分别达到6.2MPa和43MPa的磷酸镁水泥, 并用作混凝土路面修补剂。丁铸[8]采用低纯度镁砂、粉煤灰及磷酸二氢钾为主要原料, 制备出凝结较快、28天抗压强度可达70MPa的磷酸镁水泥。陈兵等[9]通过掺加粉煤灰、可分散乳胶粉和微硅粉对磷酸镁水泥进行改性, 研究表明:掺入粉煤灰不仅降低了磷酸镁水泥成本, 而且对各项性能都有所改善。邵云霞等[10]研究表明, 在磷酸镁水泥中掺适量粉煤灰且保证较高的碱组份比例, 磷酸镁水泥早期水稳定性明显提高。

以上研究原料均为山东一带的重烧氧化镁粉, 具有低硅、低钙的成分, 而且磷酸二氢钾及硼砂均为试剂级的, 具有地域的局限性及较高的成本。本实验研究的目的是利用辽南重烧镁砂及工业级的硼砂、磷酸二氢钾为原料, 找出制备低成本磷酸镁水泥的最佳配方, 并对粉煤灰的掺入量进行了研究, 进一步降低磷酸镁水泥的成本, 并利用其活性效应来提高其各项性能。

1. 实验材料和方法

1.1 样品制备

本论文采用的原料包括辽宁省海城镁矿的重烧氧化镁, 比表面积为1.02669 m2/g、工业级磷酸二氢钾、工业级硼砂, 部分原料组成见表1.1。

1.2 实验方法

首先进行P/M比值分别为1、1/2、1/3、1/4和1/5的MPC水泥的性能影响实验, 在确定最佳P/M值后, 改变硼砂加入量分别为氧化镁质量的5%、7%、9%、11%和13%, 确定硼砂加入量后, 改变粉煤灰加入量分别为粉料的5%、10%、15%、20%和30%。所有实验水胶比为0.22。混合均匀后, 搅拌30s', 缓慢加水, 再搅拌150s', 快速倒入测定耐压强度性能的40mm×40mm×40mm的六联模具中, 以及测定常温耐磨强度性能的100mm×100mm×27mm的耐磨实验模具中, 自然养护1h后脱模, 分别测定3h、1d、3d、7d和28d的耐压强度及3d和7d的磨损量, 选取耐压强度高及磨损量最低的最佳配方。

2. 实验结果与分析

2.1 不同P/M质量比对MPC耐压强度及耐磨性能的影响

此次实验配方为硼砂加入量为氧化镁的9%, 水胶比为0.22, M/P质量比分别为1、2、3、4、5, 实验过程同1.2。实验结果见图2.1, 表2.1。

图2.1为不同P/M质量比的MPC耐压强度。从图中可见, MPC的强度随龄期的增长而增长, 其中P/M质量比为1/2, 1/3时, 其早期强度最大且增长比较迅速, 当P/M质量比为1/4和1/5时, 其早期强度却出现了下降的趋势且强度较低。表2.1可以看出, P/M为1/3的试样其3d、7d的耐磨性均较好, 综合后将MPC水泥中P/M确定为1/3。分别对1#、2#、3#试样进行了XRD分析, 图谱见图2.2。

图2.2中, 1号和2号的KH2PO4均有剩余, 而3号的KH2PO4则是全部参与反应, 生成了六水合磷酸镁钾 (鸟粪石结构) , 因此3号的P/M配比是最合适的。而1#、2#尽管早期强度较高, 但由于KH2PO4的剩余, 会导致其由于酸性盐的溶解而耐水性能及后期强度下降。图2.3分别是P/M=1/2、P/M=1/3的磷酸镁水泥的电镜图片, 图a中标识处为KH2PO4晶体, 为剩余未反应, 而图b标识处为磷酸镁钾 (MPK) 晶体, 大量短柱状晶体聚集, 呈致密形态, 说明Mg KPO4·6H2O结晶相发育比较完全, 在一定程度上提高了磷酸镁水泥的强度。通过电镜图片的观察与分析, P/M质量比为1/3的晶体发育完整、结构紧密, 因此强度较高。

2.2 硼砂、粉煤灰加入量对磷酸镁水泥强度的影响

P/M确定为1/3, 改变硼砂加入量分别为氧化镁质量的7%、9%、11%和13%, 进行实验, 结果见图2.4。

由图2.4可见, 随着龄期的增长, 强度均呈现增加的趋势, 其中硼砂加入量为9%、11%时, 其早期强度增加比较迅速, 而加入量为7%磷酸镁水泥在后期的强度增长比较明显, 前期强度不高。加入量13%时, 整体强度较低, 后期增长较慢。对于紧急的抢修工作而言, 在保证早期耐压强度与施工作业时间的前提下, 硼砂加入量为9%比较合适。

依据上述实验, 确定P/M比为1/3, 硼砂加入量为氧化镁质量的9%, 改变粉煤灰加入量分别为粉料的5%、10%、15%、20%和30%, 进行实验, 结果见图2.5。从图中可以看出, 粉煤灰加入量为10%时, 其早期强度增加迅速, 在后期28天强度达到了51MPa, 虽然粉煤灰加入量为15%、20%和30%后期增长速度也极为明显, 但早期强度有下降的趋势。而粉煤灰加入量为5%后期强度更是下降到26MPa, 可见, 粉煤灰加入量为10%时, 试样的耐压强度最好。表2.2为粉煤灰加入量为10%、20%时测量的7d磨损实验。

当粉煤灰加入量为10%时, 7d后磷酸镁水泥的耐磨强度最好。掺入粉煤灰后MPC耐磨性改善是由于粉煤灰微集料效应, 使浆体致密性提高。当然过高粉煤灰掺入, 降低了浆体DH值, 多余粉煤灰的活性无法得到有效激发, 浆体致密性下降。图2.6为不同粉煤灰加入量的MPC水泥的衍射图谱。

从图2.6可见, 除了存在大量未反应的Mg O以外, 其主要晶相为Mg KPO4·6H2O (MKP) 。掺加粉煤灰后, 图谱中出现了石英的衍射峰, 是由粉煤灰所带入, 并没有其他新的矿相生成, 同时, 水泥中无定形组分大大增加, 主要原因是粉煤灰引入所致。因此判断粉煤灰不参与反应, 而是只到了填充的作用。图2.7可以看出, 粉煤灰均以球状形态分布在磷酸镁的水化产物之间, 放大后可见粉煤灰的球形表面并不光滑, 经能谱分析, 吸附的物质主要成分为硅、铝、镁、钾的混合物, 说明在粉煤灰与磷酸镁水泥基体的接触部位形成了部分连接, 因此意味着粉煤灰在不同磷酸镁水泥水化环境中不仅存在微集料效应和形态效应, 还存在一定的吸附作用, 使试样连接更为紧密从而提高各方面的性能。

3. 实验结论

(1) 以辽南重烧氧化镁粉和工业级硼砂、磷酸二氢钾为原料时, 当P/M质量比为1/3、硼砂加入量为氧化镁的9%、水胶比为0.22时制备的MPC水泥净浆的综合性能最好。

(2) 当粉煤灰加入量在10%~30%之间时, 随着加入量的增加, MPC的强度呈现出下降的趋势, 随着龄期的增长强度均有所提高, 特别是加入量为10%时28天强度达到了最大值51MPa, 同时磨损量最小, 常温耐磨强度最好。

(3) 粉煤灰在MPC水泥中不仅存在微集料效应和形态效应, 而且存在由于其表面的不光滑而起到连接作用, 使试样致密而提高强度的作用。

摘要：本实验以辽南重烧氧化镁粉、工业级磷酸二氢钾、工业级硼砂为原料, 掺加适量的粉煤灰制备了MPC水泥。研究了不同P/M质量比、硼砂及粉煤灰的加入量对MPC水泥的耐压强度、耐磨强度的影响, 并通过XRD及SEM对矿相组成和微观结构进行了分析, 结果表明, 当P/M=1/3, 硼砂的加入量为氧化镁质量的9%时MPC水泥性能较好。在MPC水泥中外掺10%粉煤灰时其不同龄期的综合强度、凝固时间、常温耐磨强度等性能最好。

关键词：磷酸镁水泥,粉煤灰,耐磨强度

参考文献

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